基于多尺度方法的碳纳米管、石墨烯增强高分子基体的机械与摩擦学性能的机理研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51903148
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0302.高分子材料物理
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Carbon nanotubes and graphene sheets are become to be ideal nano-reinforcements for enhancing polymer materials due to their excellent mechanical and thermodynamic properties. Polymer matrices can hence be further promoted in advanced engineering applications. At present, investigations in this academic field are still relied on experimental approaches. Lack of understanding mechanisms of the mechanical and tribological properties of polymer nano-composites has been dedicated. In this project, it is aimed to develop a multi-scale investigation system and method by a combination of micro, meso and macro views. Molecular dynamics method will be introduced to reveal and analyze the enhancement mechanisms on the mechanical and tribological properties, failure mechanisms of polymer matrix reinforced by carbon nanotubes and graphene sheets from an atomic view. The modeling processes and calculating methods of coarse grained simulations will be defined and verified. The inherent mechanisms of influencing the structural properties and failures of polymer nano-composites will be explored and clarified by considerations of different needs of engineering applications from meso-scale. Experimental studies will be conducted to verify and optimize the theoretical models and calculation methods of molecular dynamics and coarse grained simulations. It is expected that variable failure criteria of polymer nano-composites can be proposed. Multi-scale theories of fracture failure, crack propagation and properties optimization of polymer nano-composites are expected to be established. The reliability of polymer nano-composites will be ensured in practical applications by different methods of structural design. The anticipated achievements hold promise for providing multi-scale methods for advancing and promoting the engineering applications of polymer composites reinforced by carbon nanotubes and graphene sheets.
碳纳米管和石墨烯凭借优异的力学和热力学等性能,成为高分子基体的理想纳米增强材料,推动了其在高精尖装备中的应用。目前该领域的探索大多集中在维度单一的实验研究,缺乏不同尺度下的相互支撑与验证,许多关键性的机理问题很难得到系统性和根本性的解决。本项目旨在开发贯穿微观、介观、宏观的多尺度探索体系与方法,基于分子动力学理论,从原子尺度揭示碳纳米高分子基体的机械与摩擦性能的增强机制、失效机理、性能变化规律及其调控机制等科学问题。明确高分子纳米复合材料粗粒化建模和计算方法,确定相关力场参数。在介观尺度下,结合工程实际,阐释高分子纳米复合结构性征与失效行为的影响机制。通过实验优化理论探索中的模型、参数与计算方法。提出和建立多尺度下复合材料的各项性能增强与结构失效的理论和准则,明确复合材料的结构优化和性能调控方式,确保其在实际应用中的可靠性,为推动碳纳米高分子复合材料的产业化提供坚实的多尺度理论基础。

结项摘要

碳纳米管和石墨烯凭借优异的力学和热力学等性能,成为高分子基体的理想增强材料,推动了其在高精尖装备中的应用。鉴于该领域的探索大多集中在维度单一的实验研究,缺乏不同尺度下的相互支撑与验证,许多如纳米材料团聚和分散行为等机理问题很难得到系统性和根本性的解决。本项目旨在开发贯穿微观、介观、宏观的多尺度探索方法与体系,探索材料因多尺度结构所衍生的一系列科学问题。申请人在该项目的执行期内基于并拓展了既定研究计划,基于分子动力学理论,从原子尺度揭示了碳纳米高分子基体的机械与摩擦性能的增强机制、失效机理、性能变化规律及其调控机制等科学问题,明确了纳米材料不同表面改性方式的优劣。介观尺度下确定了高分子纳米复合材料粗粒化建模和计算方法,确定了相关力场参数,并开发了基于有限元与分子模拟的代表性单元多尺度框架,结合工程实际,阐释了高分子纳米复合结构性征与力学行为的相互影响机制,揭示了纳米材料的分散机理。通过宏观实验,并基于理论成果的精确指导,成功制备了纳米橡胶复合材料,通过一系列表征手段,验证了制备方法的成熟性,明晰了官能化纳米材料的结构特性、分散机理和补强机制,形成了相互验证、相互优化的多尺度研究理论体系,明确了复合材料的结构优化和性能调控方式,可确保其在实际应用中的可靠性,也为推动碳纳米高分子复合材料的产业化提供坚实的多尺度理论基础。项目执行期内,共发表17篇高水平论文,申请2项发明专利,成果丰富且具有很高的科学价值。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Interphase elastic properties of carbon nanotube-epoxy composites and their application in multiscale analysis
碳纳米管-环氧树脂复合材料的相间弹性性能及其在多尺度分析中的应用
  • DOI:
    10.1016/j.matdes.2022.110996
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
    Materials and Design
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Zhaobo Song;Yunlong Li;Alberto Carpinteri;Shijie Wang;Bin Yang
  • 通讯作者:
    Bin Yang
Molecular dynamics simulations of mechanical properties of swollen nitrile rubber composites by incorporating carbon nanotubes
掺入碳纳米管的溶胀丁腈橡胶复合材料力学性能的分子动力学模拟
  • DOI:
    10.1002/pc.25607
  • 发表时间:
    2020-04-14
  • 期刊:
    POLYMER COMPOSITES
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Bin Yang;Wang, Shijie;Song, Shuyuan
  • 通讯作者:
    Song, Shuyuan
A study on effects of stone-thrower-wales defective carbon nanotubes on glass transition temperature of polymer composites using molecular dynamics simulations
利用分子动力学模拟研究投石威尔士缺陷碳纳米管对聚合物复合材料玻璃化转变温度的影响
  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2020.110005
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Computational Materials Science
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Li Yunlong;Yang Bin;Yu Zitao;Wang Shijie;Wang Quan
  • 通讯作者:
    Wang Quan
水介质中丁腈橡胶溶胀机理及其对磨粒磨损行为影响
  • DOI:
    10.16078/j.tribology.2020039
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    摩擦学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    宋淑媛;王世杰;聂瑞;李云龙
  • 通讯作者:
    李云龙
The interfacial load-transfer enhancement mechanism of amino-functionalised carbon nanotube reinforced epoxy matrix composites: A molecular dynamics study
氨基功能化碳纳米管增强环氧基复合材料的界面载荷传递增强机制:分子动力学研究
  • DOI:
    10.1016/j.compscitech.2021.108790
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    Composites Science and Technology
  • 影响因子:
    9.1
  • 作者:
    Song Zhaobo;Li Yunlong;Yang Bin
  • 通讯作者:
    Yang Bin

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其他文献

局部点蚀故障滚动体的滚动轴承动力学模型研究
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  • 作者:
    朱怀念;张成科;李云龙;杨超进
  • 通讯作者:
    杨超进

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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